Ювенильные гормоны ( ЮГ ) представляют собой группу ациклических сесквитерпеноидов , которые регулируют многие аспекты физиологии насекомых . Первое открытие JH было сделано Винсентом Вигглсвортом . ЮГ регулируют развитие, размножение, диапаузу и полифенизмы . [1] [2] [3]
У насекомых ЮГ (ранее неотенин ) относится к группе гормонов , обеспечивающих рост личинки , предотвращающих метаморфоз . Из-за своего жесткого экзоскелета насекомые растут в своем развитии путем последовательного сбрасывания экзоскелета (процесс, известный как линька ).
Ювенильные гормоны секретируются парой эндокринных желез позади мозга , называемых аллата . JH также важны для производства яиц у самок насекомых.
JH был выделен в 1965 году Карелом Сламой и Кэрроллом Уильямсом, а первая молекулярная структура JH была раскрыта в 1967 году. [4]
Большинство видов насекомых содержат только ювенильный гормон роста (JH) III. [5] На сегодняшний день JH 0, JH I и JH II идентифицированы только у чешуекрылых (бабочек и мотыльков). Форма JHB 3 (бисепоксид JH III), по-видимому, является наиболее важной формой JH у двукрылых или мух. [6] Было показано, что некоторые виды ракообразных производят и секретируют метилфарнезоат, который представляет собой ювенильный гормон III, лишенный эпоксидной группы . [7] Считается, что метилфарнезоат играет роль, аналогичную роли JH у ракообразных.
Будучи сесквитерпеноидом, химическая структура ЮГ существенно отличается от структуры других гормонов животных . Некоторые аналоги JH были обнаружены у хвойных деревьев . [8]
Первичный контроль ювенильного гормона осуществляется путем 1) стимуляции аллата тел аллатотропинами [9] короткими пептидами, которые связываются с рецепторами, связанными с G-белком , [10] которые подают сигнал железам о выработке ЮГ, и 2) ингибированием Продукция JH аллатостатинами . Они делятся на три класса: аллатостатин А, [11] аллатостатин В, [12] и аллатостатин С [13] (обзор этих механизмов контроля см. в: Stay and Woodhead 1993). [14] Вторичным контролем титра ЮГ, обнаруженного в гемолимфе развивающегося насекомого, является метаболическая инактивация ЮГ с помощью ЮГ-специфической эстеразы и ювенильной гормон-эпоксидгидролазы . [15] Во время экдизиса форма старой кутикулы, закладываемой перед следующей линькой, контролируется уровнем ЮГ у насекомого. JH сохраняет статус несовершеннолетнего. Уровень постепенно снижается в ходе развития насекомого, позволяя ему переходить к последующим возрастам с каждой линькой.
Это было продемонстрировано в различных исследованиях, наиболее заметное из которых было проведено В.Б. Вигглсвортом в 1960-х годах. В этом исследовании у двух взрослых Rhodnius были соединены кровеносные системы, что гарантировало, что титр JH у обоих будет одинаковым. Один был Родниусом третьего возраста , другой — четвертого возраста. Когда аллаты насекомого третьего возраста были удалены, уровень JH у обоих насекомых был равен уровню у животного четвертого возраста, и, следовательно, оба перешли к пятому возрасту при следующей линьке. Когда у Rhodnius четвертого возраста удалили аллата тел, оба содержали уровень JH третьего возраста, и, следовательно, один перешел к четвертому возрасту, а другой остался на этом этапе.
Как правило, удаление аллата тел у молодых особей приводит к тому, что во время следующей линьки взрослая особь будет миниатюрной . Имплантация аллата тел в последние личиночные возрасты повысит уровень ЮГ и, следовательно, приведет к появлению нештатного (дополнительного) ювенильного возраста и т. д.
Существует сложное взаимодействие между ЮГ, гормоном экдизоном и вителлогенином . На стадии развития, пока JH достаточно, экдизон способствует линьке от личинки к личинке. При меньшем количестве JH экдизон способствует окуклению. Полное отсутствие ЮГ приводит к формированию взрослой особи. [16] У взрослых медоносных пчел титры JH и вителлогенина в целом демонстрируют обратную картину. [17] [18] [19] [20]
Титры JH у рабочих медоносных пчел постепенно увеличиваются в течение первых 15 дней жизни рабочих до начала кормления . [21] В течение первых 15 дней рабочие выполняют различные задачи внутри улья , такие как выкармливание личинок, построение сотов и чистка ячеек. Титры JH достигают максимума примерно на 15-й день; Рабочие этого возраста охраняют, удаляют мертвых пчел из семьи и обмахивают ее вентилятором у входа в колонию, чтобы охладить гнездо. Агрессивность пчел-охранников коррелирует с уровнем JH в их крови. Несмотря на то, что у охранников высокий уровень ЮГ, их яичники относительно неразвиты. [22] [23] Хотя JH не активирует поиск пищи. Скорее, он участвует в контроле над скоростью, с которой пчелы превращаются в собирателей. [24]
Титры вителлогенина высокие в начале взрослой жизни и медленно снижаются.
Известно, что JH участвует в дифференциации каст королевы и рабочей на личиночной стадии. [25] Уникальная отрицательная связь между JH и вителлогенином может быть важна для понимания долголетия маток. [26]
JH у многих видов бабочек и мотыльков необходим для производства и высвобождения полового феромона самками. Эксперименты, проведенные на Mythimna unipuncta (настоящая совка-совка) и Agrotis ipsilon (черная совка), показали, что удаление corpus allata, секретирующего JH, прекращает высвобождение полового феромона. Более того, ЮГ важен для развития яичников. [27] [28] На черной совке было показано, что JH также необходим самцам для чувствительности к феромонам. [29] Также было показано, что JH передается от самца Heliothis virescens к самке во время совокупления. [30]
Синтетические аналоги ювенильного гормона, миметики ювенильного гормона , используются как инсектицид , препятствующий развитию личинок во взрослых насекомых. Сам по себе JH дорог в синтезе и нестабилен на свету. При высоком уровне JH личинки все еще могут линять, но в результате получится только более крупная личинка, а не взрослая особь. Таким образом репродуктивный цикл насекомого нарушается. Один аналог JH, метопрен , одобрен ВОЗ для использования в цистернах с питьевой водой для борьбы с личинками комаров из-за его исключительно низкой токсичности (LD50> 35 000 мг/кг для крыс). [ нужна цитата ]
Ювенильный гормон вырабатывается в аллата телах насекомых. ЮГ будет распространяться по гемолимфе и действовать на чувствительные ткани. ЮГ в основном разлагается ферментами ювенильной гормональной эстеразы (ЮГЭ) или ювенильной гормональной эпоксидгидролазы (ЮГЭГ). JHE и JHEH приводят к подавлению передачи сигналов и ответа JH. Ткани, реагирующие на ЮГ, могут продуцировать один или оба этих фермента. [ нужна цитата ]
JH стимулирует добавочные железы взрослых мужчин, способствуя росту желез и выработке секрета добавочных желез. Производство желтка ( вителлогенез ) в женских яичниках также стимулируется действием ЮГ. JH также может регулировать репродуктивное поведение у обоих полов. [ нужна цитата ]
Активность ювенильного гормона разрушается двумя ферментами. JH-эстераза расщепляет метиловый эфир с образованием JH-кислоты. JH-кислота присоединяется JH-эпоксидгидролазой, которая превращает эпоксидную группу в диол. Порядок дробления зависит от отряда насекомых. У чешуекрылых порядок такой, как здесь; расщепление сложного эфира предшествует гидратации эпоксида. Любой из них прекращает активность гормона. JH-диоловая кислота, продукт обоих ферментов, подвергается воздействию JH-диолкиназы, увеличивая растворимость для выведения. [ нужна цитата ]
Биосинтез ЮГ аналогичен биосинтезу холестерина у животных. [ нужна цитата ] Существуют значительные различия между биосинтезом гомоизопреноидных JH, обнаруженных почти исключительно у чешуекрылых, в отличие от изопреноидов JH III, бисепоксида JH III и метилфарнезоата, обнаруженных у других насекомых. [ нужна цитата ]
Биосинтез холестерина тщательно изучен на животных. Все этапы происходят в цитозоле. Исходным материалом является цитрат, который экспортируется митохондриями при высоком уровне метаболического топлива. Он превращается в ацетил-КоА, АДФ, СО 2 и оксалоацетат под действием АТФ-цитратлиазы вместе с АТФ и КоАСГ в качестве субстратов. Три ацетил-КоА превращаются в ГМГ-КоА с помощью цитозольных изоформ тиолазы и 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА-синтазы. Затем HMG-CoA восстанавливается под действием НАДФН до мевалоната под действием HMG-CoA-редуктазы, фермента, контролирующего скорость биосинтеза холестерина. Этот фермент имеет 8 спиральных доменов, закрепляющих его в мембране Гольджи ЭР; [31] каталитический домен находится в цитозоле. Его сильно подавляют статины , класс препаратов на основе метаболита плесени, которые, по крайней мере когда-то, были самым продаваемым классом лекарств в мире. На мевалонат действует ряд трех киназ с образованием высоколабильного 1,2-дифосфомевалонат-3-фосфата, на который действует лиаза с образованием фосфата, CO 2 и изопентенилдифосфата . Изопентенилдифосфатизомераза превращает последний в менее стабильный диметилаллилдифосфат . Фарнезилдифосфатсинтаза забирает один DMAPP и два IPP, чтобы дать метаболит C 15 фарнезилдифосфат . Существует большое количество дополнительных шагов по выработке холестерина из IPP, повсеместного предшественника всех изопреноидов. [ нужна цитата ]
Похоже, что биосинтез JH III идентичен биосинтезу холестерина, от продукции IPP до FPP, хотя, по-видимому, нет исследований по экспорту цитрата или других метаболитов из митохондрий в цитозоль или образованию ацетил-КоА . Ферменты этого пути были впервые изучены у Manduca sexta , которая продуцирует как гомоизопреноидные, так и изопреноидные (JHIII) JH. [32]
Очень рано было показано, что пропионат очень эффективно включается в JH II и JH I в бесклеточных экстрактах M. sexta] corpora allata. [33] [34] Мевалонат и ацетат также включаются в JH I, II, JH III из M. sexta , хотя и гораздо менее эффективно, чем пропионат. [34] Дженнингс и др. показали, что гомомевалонат включается в JH II у M. sexta . [35] Бейкер идентифицировал 3-гидрокси-3-этилглутарат и 3-гидрокси-3-метилглутарат из одного и того же источника фермента, инкубированного с ацетилом и пропионил-КоА . [36] Ли и др. показали, что один и тот же источник ферментов эффективно вырабатывает как мевалонат, так и его 3-этиловый гомолог гомомевалонат. [37] Берго показал, что мевалонат и гомомевалонат, продуцируемые этими ферментами, имеют ту же конфигурацию оптического 3S-изомера, что и ферменты позвоночных. [38] Бейкер показал, что изопентенилдифосфат и его гомолог, 3-этилбутенилдифосфат (гомоизопентенилдифосфат), метаболизируются до соответствующих аллилдифосфатов, DMAPP и гомоDMAPP (3-этил-3-метилаллилдифосфат). Последний необходим для биосинтеза JH I, JH II и 4-метилJH I. Для биосинтеза JH I и 4-метил JH I необходимы 2 единицы гомоДМАПП, а для биосинтеза JH II - одна. [39]
Все части углеродного скелета происходят из IPP. Затем фермент пренилтрансфераза/фарнезилдифосфатсинтаза связывает IPP, отщепляет от него дифосфат с образованием аллильного карбокатиона и добавляет его к IPP с образованием геранилдифосфата (C 10 ). Затем то же самое он делает с геранилдифосфатом, давая фарнезилдифосфат (С 15 ). Эта реакция, по-видимому, является единственной известной ферментативной реакцией, включающей соединение двух молекул с карбокатионом. Пара свободных электронов присоединяется к двойной связи IPP, также изомеризуя IPP, так что продукт представляет собой аллильный дифосфат. Таким образом, эта часть изопреноидного пути практически идентична таковой холестерина, за исключением гомоизопреноидных единиц, специфичных для насекомых. НАД+-зависимая фарнезолдегидрогеназа, фермент allata corpora allata, участвующий в синтезе ювенильных гормонов, показала, что один и тот же источник ферментов эффективно вырабатывает как мевалонат, так и его 3-этиловый гомолог, гомомевалонат. [40]
Абсолютная конфигурация гомомевалоната и 3-гидрокси-3-этилглутарила и 3-гидрокси-3-метилглутарила кофермента А, продуцируемого бесклеточными экстрактами тел насекомых allata. Предостережение относительно предсказания абсолютной стереохимии на основе порядка жидкостной хроматографии элюирования диастереомерных производных. [41] показали, что мевалонат и гомомевалонат, продуцируемые этими ферментами, имеют ту же конфигурацию оптического 3S-изомера, что и ферменты позвоночных [39] показали, что изопентенилдифосфат и его гомолог, 3-этилбутенилдифосфат (гомоизопентенилдифосфат), метаболизируются до их соответствующие аллилдифосфаты, DMAPP и гомоDMAPP (3-этил-3-метилаллилдифосфат). Последний необходим для биосинтеза JH I, JH II и 4-метилJH I. Для биосинтеза JH I и 4-метил JH I необходимы 2 единицы гомоДМАПП, а для биосинтеза JH II - одна.
Однако на данный момент эти пути расходятся. В то время как подавляющее большинство фарнезилдифосфата у животных превращается в конечном итоге в холестерин, у насекомых он, очевидно, действует под действием дифосфатазы с образованием фарнезола , на который, в свою очередь, действует НАД+-зависимый фермент, фарнезол/фарнезалдегидрогеназа у M. sexta [ 40] с получением фарнезойной кислоты. Последующие работы показали, что фермент высокоспецифичен к транс-аллильным спиртам, содержащим как минимум три изопреновых единицы [42] , а также присутствует у комаров. [43]
Следующие этапы биосинтеза ЮГ различаются в зависимости от порядка. У чешуекрылых и комаров фарнезойная кислота или ее гомологи эпоксидируются P450-зависимой метилэпоксидазой фарнезойной кислоты, затем метилируются метилтрансферазой JH-кислоты [44]. В большинстве отрядов фарнезойная кислота метилируется метилтрансферазой фарнезойной кислоты, а затем эпоксидирован Р450-зависимыми метилтрансфератами. [44]
Недавняя публикация Ноузовой и др. (2015) показывают, что аллатостатин C, пептид, который ингибирует выработку ЮГ аллата, блокирует транспорт цитрата из митохондрий у Aedes aegypti . Это очень логичный механизм контроля биосинтеза ЮГ. [45]